机械制造工程基础教案doc 36页.docx
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机械制造工程基础教案doc36页
机械制造工程基础教案（doc36页）
1.1铸造成形
1）授课对象：
本科机械类专业
2）授课时数：
8学时
3）学教内容：
本章介绍铸造成形的工艺基础、基本概念、特点，铸件的结构工艺性和铸造工艺设计。
4）教学重点与难点：
金属液态成形的工艺基础，砂型铸造及特种铸造方法，铸件的结构设计方法，常用合金铸造的生产和液态成形的新工艺、新技术。
5）教学方法：
多媒体课件课堂教学
6）教学目的与要求：
（1）掌握金属液态成形的工艺基础；
（2）掌握砂型铸造方法；
（3）掌握铸件的结构设计方法；
（4）学会绘制铸造工艺图；
（5）掌握常用合金铸件的生产方法；
（6）了解液态成形新工艺、新技术；
1.1.1金属液态成形工艺基础
1）教学内容：
本节主要讨论合金的流动性和充型能力，铸件的凝固与收缩，铸件的内应力、变形和裂纹，铸件的常见缺陷及分析。
2）教学重点和难点：
流动性、充型能力、凝固与收缩、缩孔与缩松、铸件的内应力、变形和裂纹等基本概念，以及影响流动性和充型能力的因素以及减小内应力，变形和裂纹的措施。
3）教学要求：
了解影响液态成形工艺的因素，提高合金流动性及充型能力。
正确选择凝固方式，减小应力，变形和防止裂纹，提高铸件质量。
4）基本知识点：
（1）合金的流动性和充型能力
①流动性和影响流动性的因素
②充型能力及影响充型能力的因素
a.浇注条件
b.铸型
（2）铸件的凝固与收缩
①铸件的凝固方式
a.逐层凝固
b.糊状凝固
c.中间凝固
②铸件合金的收缩
a.液态收缩
b.凝固收缩
c.固态收缩
③缩孔与缩松
a.缩孔与缩松的形成
b.缩孔与缩松的防止
（3）铸件内应力、变形与裂纹
①铸件内应力
a.热应力的形成
b.机械应力的形成
c.减小应力的措施
②铸件的变形
③铸件的裂纹
a.热裂
b.冷裂
④合金的吸气性和氧化性
⑤铸件的常见缺陷分析
a.孔眼
b.表面缺陷
c.形状尺寸不合格
d.裂纹
e.其他
1.1.2砂型铸造
1）教学内容：
讨论砂型铸造方法和砂型铸造工艺设计方法。
2）教学重点和难点：
手工造型方法的特点及应用范围，合理进行铸造工艺设计。
3）教学要求：
了解造型与造芯方法，熟悉手工造芯的基本方法。
4）基本知识点：
（1）砂型铸造工艺过程
（2）造型与造芯方法
①手工造型
常用手工造型方法的特点及应用范围
②机械造型
按紧实方式不同机器造型可分为分压造型、震压造型、抛砂造型和射砂造型等四种。
③机械造型的工艺特点：
采用模底板进行两箱造型。
④造芯
（3）铸造工艺设计
①浇注位置的选择；
a.铸件的重要加工面应朝下或位于侧面
b.铸件的大平面应朝下
c.面积较大的薄壁部分置于铸型下部或使其处于垂直或倾斜位置
d.对于容易产生缩孔的铸件，应将厚大部分放在分型面附近上部或侧面
②铸件分型面的选择原则：
a.应尽可能使铸件的全部或大部分置于同一砂箱中
b.应使铸件的加工面和加工基准面处于同一砂箱中
c.应尽量减少分型面的数量，尽可能选平直面的分型面
d.应尽量减少型芯和活块的数量，以简化制模、造型和合型等工序
e.应尽量使型腔及主要型芯位于下型
③工艺参数的确定
a.机械加工余量
b.收缩余量
c.起模斜度
d.型芯头
e.最小铸出孔和槽
（4）铸造成形工艺设计示例
①生产批量；
②技术要求；
③铸造工艺方案选择；
④主要工艺参数确定；
⑤绘制铸造工艺图。
1.1.3特种铸造
1）教学内容：
介绍砂型铸造以外的其他几种特种铸造方法。
2）教学难点与重点：
了解常用特种铸造方法的工艺过程、结构工艺性、特点及应用。
3）教学要求：
介绍熔模铸造、金属型铸造、压力铸造和离心铸造等几种铸型用砂较少或不用砂使用特殊工艺装备进行铸造的方法。
4）基本知识点：
（1）熔模铸造
①熔模铸造的工艺过程；
②熔模铸造的结构工艺性；
③熔模铸造的特点及应用。
（2）金属型铸造
①金属型铸造的结构及其制造工艺；
②金属型铸造铸件的结构工艺性；
③金属型铸造的特点及应用。
（3）压力铸造
①压铸机和压铸工艺过程；
②压铸件的结构工艺性；
③压力铸造的特点及应用。
（4）离心铸造
①离心铸造的类型及工艺；
②铸型转速的测定；
③离心铸造的特点及应用。
（5）低压铸造
1.1.4铸件结构设计
1）教学内容：
本节从便于造型、合箱、清理及减少铸造缺陷和金属或合金的铸造性能对铸件的内在质量影响出发，讨论铸件的结构设计。
2）教学重点与难点：
根据铸造工艺对铸造结构的要求进行结构设计和根据铸造性能对铸造结构设计的要求进行结构设计。
3）教学要求：
根据铸造工艺对铸件的要求，合理设计铸件外形、内腔和结构斜度，根据铸造性能的要求合理设计铸件壁厚、壁的联结方式等。
4）基本知识点：
（1）铸件工艺对铸件结构的要求
①尽量使分型面为平面
②应具有最少的分型面
③尽量避免起模方向存在外部侧凹，以便于起模
④凸台和筋条结构应便于起模
⑤垂直分型面上的不加工表面最好有结构斜度
⑥尽量少用或不用型芯
⑦型芯在铸型中应支撑牢固
⑧可增加芯头或工艺孔，用以固定型芯
（2）铸造性能对铸件结构设计的要求
①合理设计壁厚
②铸件壁厚应尽量均匀
③铸件壁的连接
a.铸件的圆角结构
b.避免锐角连接
c.避免大的水平面
1.2锻压成形
1）授课对象：
本科机械类专业
2）授课时数：
4学时
3）教学内容：
本章主要讨论金属塑性变形基础、自由锻和模锻工艺方法。
4）教学重点与难点：
金属塑性变形后组织与性能的变化、纤维组织的形成与合理应用。
自由锻基本工序与自由锻工艺规程的制订，自由锻件结构工艺性。
模锻的特点，锤上模锻，锻模结构，模锻件工艺规程的制订。
5）教学方法：
多媒体课件课堂教学
6）教学目的与要求：
（1）掌握金属塑性变形后组织与性能的变化
（2）掌握自由锻基本工序及自由锻工艺规程的制订。
（3）掌握模锻的特点与锻模结构
2.1金属塑性变形基础
1）教学内容：
本节主要讨论金属塑性变形的特点，金属的冷变形强化与再结晶，金属塑性变形后组织与性能的变化。
2）教学重点与难点：
金属的冷变形强化与再结晶，金属塑性变形后组织与性能的变化，纤维组织的概念、形成原因，合理利用纤维组织。
3）教学要求：
了解金属塑性变形的特点与实质，掌握金属的冷变形强化与再结晶，金属塑性变形后组织与性能的变化。
4）基本知识点
（1）金属塑性变形的特点
①可改善金属的组织，提高金属的力学性能。
②可提高材料的利用率。
③具有较高的生产率。
④可获得精度较高的毛坯或零件。
（2）金属塑性变形的实质
①单晶体的塑性变形、滑移、孪生
②多晶体的塑性变形晶粒取向对塑性变形的影响、晶界对塑性变形的影响
（3）金属的冷变形强化
①冷变形强化的概念：
金属在冷变形后，其强度和硬度提高，塑性降低的现象称为
冷变形强化。
②产生冷变形强化的原因：
引起产生冷变形强化的原因是各滑移方向的位错相互干
涉，使变形困难。
③冷变形强化的利弊
利：
可利用冷变形强化作为一种强化金属的工艺用于生产。
弊：
使进一步变形困难，必须增大变形设备功率；必须增加中间退火工序。
（4）再结晶
再结晶过程可分为回复、再结晶、晶粒长大三个阶段
再结晶温度T再经验公式：
T再=0.4T熔
式中，T再为最低再结晶温度，T熔为金属熔点的温度。
①回复：
当加热温度低于再结晶温度时，晶格中的原子只能作短距离扩散，使空位与间隙原子合并，空位与位错发生交互作用而消失，使晶格畸变减轻，残余应力显著下降。
组织、性能无明显变化。
②再结晶：
当加热温度超过再结晶温度时，形成新晶粒取代已变形的晶粒。
钢铁的最低再结晶温度400~450℃，再结晶退火温度600~700℃
③晶粒长大：
对冷变形金属进行再结晶退火，一般都得到细小的等轴晶粒。
如温度继续升高，或延长保温时间，则再结晶后的晶粒又会长大而形成粗大晶粒，从而使金属的强度、硬度和塑性降低。
（5）金属热塑性变形对组织与性能的影响
①消除铸态的某些缺陷，提高材料的力学性能通过塑性变形可使铸态中的疏松、气孔等压合，消除偏析，将粗大的柱状晶和枝晶压碎，再结晶成细小均匀的等轴晶粒，改善夹杂物、碳化物的形态与分布。
结果提高了金属材料的致密度和力学性能。
②形成纤维组织
热加工时因铸态中的非金属夹杂物沿金属流动方向被拉长形成纤维组织，这些夹杂物在再结晶时不会改变其纤维状。
存在纤维组织会导致金属材料的各向异性。
沿纤维方向的力学性能高，垂于纤维方向的力学性能低。
纤维组织的合理利用。
（6）锻造比锻造可改善铸态金属组织的结构和性能，改善的程度取决于塑性变形程度。
塑性变形程度常用锻造比表示。
锻造比：
锻造前后金属坯料的横截面积或长度比。
锻造比的选择：
用轧材或锻坯作为锻造坯料时，由于坯料已经过热塑性变形，可选择较小的锻造比。
（≥1.5）。
用钢锭作为锻造坯料时，因钢锭内部一般存在缺陷，锻造比应大于2.5。
对于合金结构钢，锻造比为3~4。
对于铸造缺陷严重，碳化物粗大的高合金钢锭，应选择较大的锻造比，如高速钢的锻造比为5~12，不锈钢的锻造比为4~6。
2.2自由锻
1）教学内容：
本节先对自由锻方法进行必要的概述，主要讨论自由锻基本工序的内容、自由锻工艺规程的制订、自由锻件的结构工艺性、高合金钢的锻造特点。
2）教学重点与难点：
自由锻基本工序的内容、自由锻工艺规程的制订、自由锻件的结构工艺性
3）教学要求：
掌握基本工序的内容及自由锻工艺规程的制订，掌握典型零件的自由锻件的结构工艺性，了解自由锻件的分类、了解高合金钢的锻造特点、了解常见的锻造缺陷。
4）基本知识点
（1）自由锻概述
（2）自由锻工序
自由锻工序可分为基本工序、辅助工序和精整工序。
基本工序：
它是使金属坯料实现主要的变形要求，达到或基本达到锻件所需形状尺寸的工序。
主要有以下几种。
①镦粗：
使坯料高度减小、横截面积增加的工序。
它是自由锻中最常用的工序，适合于块状、盘套类锻件的生产。
②拔长：
使坯料横截面积减小、高度增加的工序。
它适用于轴类、杆类锻件的生产。
为壹规定的锻造比和改变金属内部组织结构，锻造以以钢锭为坯料的锻件时，拔长经常与镦粗交替反复使用。
③冲孔：
在坯料上冲出通孔或盲孔的工序。
对圆环类锻件，冲孔后还应进行扩孔。
④弯曲：
使坯料轴线产生一定曲率的工序。
⑤扭转：
使坯料的一部分相对于另一部分绕其轴线旋转一定的角度的工序。
⑥错移：
使坯料的一部分相对于另一部分平移错开，但仍保持轴心平行的工序，它是生产曲
轴或曲拐类锻件所必须的工序。
⑦切断：
分割坯料和切除锻件余量的工序。
⑧锻接：
是将两分离工件加热到高温，在锻压设备产生的冲击力或压力作用下，使两者在固
相状态下结合成一牢固整体的工序。
辅助工序：
它是指进行基本工序之前的预变形工序。
如压钳口、倒棱、压肩。
精整工序：
它是在完成基本工序之后，用以提高锻件尺寸及位置精度的工序。
如校正、滚圆、平整等。
（3）自由锻工艺规程的制订
①绘制锻件图
锻件图是制定锻造工艺的依据，绘制锻件图时主要考虑工艺余块、余量及锻件公差。
锻件中零件轮廓线用双点划线表示。
（用图片说明）
工艺余块：
零件上的某些精细结构，如键槽、齿槽、小孔不通孔、小台阶难以用自由锻锻出，必须添加一部分金属以简化锻件形状，这部分添加的金属称为工艺余块。
锻件余量：
锻件上凡需要切削加工的表面都应留有加工余量。
锻件公差：
零件的基本尺寸加上加工余量称为锻件基本尺寸，锻造公差是锻件基本尺寸的允许变动量。
②坯料重量及尺寸计算
坯料重量可按下式计算：
G料=G锻件+G烧损+G料头
式中 G料——坯料重量
G锻件——锻件重量
G烧损——烧损重量，第一次加热取被加热金属的2~3%，以后各
次加热取1.5~2%。
G料头——在锻造过程中冲掉或被切掉的那部分金属的重量。
坯料尺寸的确定：
首先根据锻件图计算出坯料的体积，并根据材料的密度计算出坯料的重量，再根据基本工序的类型及锻造比计算坯料横截面积、直径、边长等。
③选择锻造工序
根据不同类型的锻件选择不同的锻造工序。
一般锻件可分为六类（用图例说明）。
盘类、圆环类：
镦粗、冲孔、扩孔、定径
筒类：
镦粗、冲孔、芯轴拔长、滚圆
轴类：
拔长、压肩、滚圆
杆类：
拔长、压肩、修整、冲孔
曲轴类：
拔长、错移、压肩、扭转、滚圆
弯曲类：
拔长、弯曲
实例：
汽车半轴自由锻工艺规程
（4）自由锻件的结构工艺性
①尽量避免锥体和斜面结构。
②尽量避免圆柱面与圆柱面相交。
③避免椭圆形、工字形或其他非规则形状截面及非规则外形。
④避免加强筋与凸台等结构。
⑤复杂件应设计成为简单件组合件。
（5）高合金钢的锻造特点
备料：
高合金钢坯料不允许有表面裂纹等缺陷，锻前需进行退火处理。
加热特点与锻造温度范围：
应低温装炉，缓慢升温。
锻造温度范围窄，只有
100~200℃
锻造特点：
控制变形量、增大锻造比、变形要均匀、避免出现拉应力
（6）常见的锻造缺陷
常见的锻造缺陷有裂纹、晶粒局部粗大、白点（氢脆）、弯曲和变形等。
①裂纹：
锻造过程中由于加热、冷却、变形、热处理等工艺不当所致。
②晶粒局部粗大：
由于加热温度过高、变形不均匀、锻造比太小等。
③白点（氢脆）：
对白点敏感的钢，加热或冷却不当，造成的微裂纹。
2.3模锻
1）教学内容：
本节主要讨论模锻的特点、锤上模锻、压力机上模锻的特点、胎模锻及模锻件结构工艺性。
2）教学重点与难点：
模锻模膛的类型和作用、掌握模锻件的结构工艺性
3）教学要求：
了解模锻的特点，掌握锻模模膛的类型和作用、掌握模锻件的结构工艺性。
了解各种模锻方法的特点。
4）基本知识点：
（1）模锻的特点：
①生产率高。
②模锻件尺寸精确，加工余量小，精密模锻能取代切削加工
③可锻出形状复杂零件
④节省金属材料，减少切削加工。
在批量足够的条件下可降低成本。
（2）锤上模锻
①模锻锤结构
蒸气-空气模锻锤的主要构造：
踏板、机架、砧座、操纵系统。
②选择锻锤吨位：
锻锤吨位与锻件大小有关，锻件愈大，要求锻锤的吨位愈大。
③模锻模膛
锻模模膛有模锻模膛和制坯模膛两种。
模锻模膛：
锻模模膛由终锻模膛和预锻模膛两部分组成。
终锻模膛：
终锻模膛的作用是使坯料最后到锻件所要求的形状和尺寸，因此它的形状和锻件的形状相同。
尺寸比锻件实际尺寸大1.5%（锻件收缩率），另外，沿模膛四周有飞边槽，用以增加金属从模膛中流出的阻力。
促使金属更好地充满模膛，同时容纳多余的金属。
对于具有通孔的锻件，由于不可能靠上、下模的突起部分把金属完全挤压到旁边去，故终锻件后在孔内有一薄金属，称为冲孔连皮。
预锻模膛：
预锻模膛的作用是使坯料变形到接近于锻件的形状和尺寸，这样再进行终锻时，金属容易充满终锻模膛。
预锻模膛没有飞边槽。
制坯模膛：
制坯模膛用来进行复杂模锻件的预先制坯， 制坯模膛有以下几种：
∙ 拔长模膛：
用来减小坯料某部分的横截面积，以增加该部分的长度。
当模锻件沿轴向横截面积相差较大时，常用这种模膛进行拔长。
拔长模膛分为开式和闭式两种。
一般情况下把它设在锻模的边沿处。
∙ 滚挤模膛：
在坯料长度基本不变的前提下用它来减小坯料某部分的横截面积，以增大另一部分的横截面积。
滚挤模膛也分为开式和闭式两种。
∙ 弯曲模膛：
对于弯曲的杆类模锻件，需采用弯曲模膛来弯曲坯料。
∙ 切断模膛：
它是在上模与下模的角部组成的刃口，用来切断金属。
单件锻造时，用它从坯料上切下锻件或从锻件上切下钳口。
多件锻造时，用它分离单个锻件和切下钳口。
（3）压力机上模锻
压力机上模锻分为曲柄压力机上模锻和摩擦压力机上模锻。
（压力机模锻的操作过程用图片说明）
①曲柄压力机上模锻的特点：
（a）曲柄压力机工作时震动和噪声小；
（b）滑块行程固定，每个变形工步在滑块的一次行程中即可完成；
（c）曲柄压力机具有良好的导向装置和自动顶件机构，因此锻件的余量、公差和模锻斜长都比锤上模锻小；
（d）曲柄压力机上模锻所用锻模设计成镶块模具，更换容易，节省贵重的模具材料；
（e）坯料表面的氧化皮不易清除，影响表面质量。
②摩擦压力机上模锻的特点
a．适应性强，行程和锻压力可调节，因而可实现轻打、重打，可在一个模膛内对锻件进行多次锻打；
b．滑块运行速度低，锻击频率低，金属变形过程的再结晶可充分进行。
适合于锻造再结晶速度慢的低塑性合金钢和有色金属；
c．设备本身带有顶料装置，故可采用整体式锻模，也可采用特殊结构的组合式模具，使模具设计和制造简单化、节约材料、降低成本；
d．摩擦压力机上模承受偏心载荷的能力差，一般只能进行单模膛模锻。
对于形状复杂的锻件，需要在自由锻设备或其他设备上制坯。
（4）模锻件结构工艺性
设计模锻件时，应根据锻件特点和工艺要求，使其结构与模锻工艺适应，以便于模锻件生产和降低成本。
为此，锻件的结构应符合下列原则：
①锻件必须具有一个合理的分模面。
以保证模锻件易于从模膛中取出，敷料最少，锻模容易制造。
②只在零件上有与其他机件配合的表面留加工余量。
③设计零件的外形要力求简单。
避免薄壁、高筋、凸起结构。
④在零件结构充许的条件下，应尽量避免深孔和多孔结构。
⑤对于复杂锻件，为减少工艺余块，简化模锻工艺，在可能条件下，应采用锻造—焊接或锻造—机械联接组合工艺。
（5）胎模锻
胎模主要有扣模、套筒模及合模等。
1.3焊接
1）授课对象：
本科机械类专业
2）授课时数：
4学时
3）教学内容：
本章主要讨论焊接的基本原理及焊条电弧焊，并介绍埋弧自动焊、气体保护焊、气焊与气割、钎焊等其他焊接方法，还将对可焊性、焊接结构设计进行讨论。
4）教学重点与难点：
电弧焊、可焊性、焊件结构工艺性。
5）教学方法：
多媒体课堂教学
6）教学要求：
掌握焊接的基本原理及焊条电弧焊的工艺方法，材料的可焊性及焊接结构设计时的工艺原则。
了解埋弧自动焊、气体保护焊、气焊与气割、钎焊等其他焊接方法。
3.1焊接基本原理
1）教学内容：
本节主要讨论焊接电弧、电弧焊冶金过程的特点、电焊条、焊接接头金属组织与性能的变化、焊接应力与变形。
2）教学重点与难点：
电焊条、接接头金属组织与性能的变化、焊接应力与变形。
3）教学要求：
掌握电弧焊冶金过程的特点、电焊条的选用、焊接接头金属组织与性能的变化、焊接应力与变形。
4）基本知识点：
（1）焊接电弧
焊接电弧是电极与工件之间的气体介质中长时间而强有力的放电现象。
在焊接电弧中，阳极区产生的热量和温度比阴极区高，阳极区温度约为2600K，阴极区温度约为2400K。
电焊机的空载电压为50~90V，工作电压为15~35，电弧长度为2~6mm。
（2）焊条电弧焊冶金过程的特点
①焊接电弧和熔池的温度高于一般的冶炼温度。
导致金属元素蒸发烧损。
②金属熔池体积小，高温时间短，导致化学成份不均匀，气体和杂质来不及浮出。
易产生气孔和夹渣等缺陷。
③空气中的氧与金属发生化学反应，使金属元素烧蚀，同时残留在焊缝金属中，导致气孔夹渣。
④空气中的氢、氮留在金属中，使焊缝处的力学性能变差。
（3）保证焊缝质量的措施：
①造成有效的保护，限制空气进入焊接区。
②渗入有用的合金元素，以保证焊缝的化学成分。
③进行脱氧、脱硫和脱磷。
加入CaO脱硫、脱磷。
（4）焊接接头组织与性能的变化
①焊件温度变化与分布（用温度分布图来说明）
②焊接接头组织区与性能的变化
可分为焊缝区和焊接热影响区。
焊接热影响区按温度高低可分为熔合区、过热区、正火区、部分相变区。
其组织性能变化如下：
（a）焊缝区→铸态组织
（b）焊接热影响区
熔合区→铸态组织与过热粗晶组织，性能低。
过热区→过热粗晶组织，性能低。
正火区→细晶组织，性能高。
部分相变区→晶粒大小不均匀，性能稍低。
重要的焊接结构件应进行正火或退火处理。
（5）焊接应力与变形
原因：
焊件上温度不均匀→热胀冷缩不均匀→焊缝处冷却收缩受阻→焊缝处受拉应力。
用实例说明。
实例1：
圆筒形环缝
实例2：
平板对焊
实例3：
长方形钢板边缘焊
减少焊接应力的措施：
①合理选材、避免焊缝密集交叉、避免焊接面过大、焊缝过长。
②选择合理的焊接次序。
③预热法：
预热到350~400℃。
④焊后退火处理：
加热到500~650℃
焊接变形：
（用实例说明以下几种变形）
①收缩变形
②角变形
③弯曲变形
④扭曲变形
⑤波浪形变形
减少焊接变形的措施：
①．焊缝对称设计
②．反变形法
③．加裕法
④．刚性夹持法
⑤．选择合理的焊接次序
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